Einsatz von Flüssigkeitskühlung im Rechenzentrum: Installation und Betrieb von Coolant Distribution Units (CDUs)

Mit steigenden Leistungsdichten durch KI- und HPC-Anwendungen stoßen klassische Luftkühlkonzepte zunehmend an ihre Grenzen. Flüssigkeitskühlung gewinnt daher an Bedeutung – insbesondere in Kombination mit präzise geregelten Coolant Distribution Units (CDUs). Der Beitrag beleuchtet deren Rolle, Funktionsweise und Best Practices für Installation und Betrieb.

Der zunehmende Einsatz von High-Performance-Computing-(HPC)-Anwendungen wie Künstlicher Intelligenz (KI) und Machine Learning (ML) stellt neue Anforderungen an die Kühlung von Rechenzentren. Mit steigenden Chip-, Server- und Rackdichten stoßen rein luftbasierte Kühlsysteme zunehmend an ihre Grenzen, wenn es darum geht, die entstehenden Wärmelasten effizient zu beherrschen.

Dies führt zu einem evolutionären Wandel im thermischen Management von IT-Infrastrukturen hin zu hybriden Modellen, die Luft- und Flüssigkeitskühlung kombinieren. Eine Umfrage des Uptime Institute zeigt, dass bereits rund 17 % der Rechenzentren Flüssigkeitskühlung einsetzen, während über 61 % deren Einführung prüfen – ein deutlicher Hinweis auf die zunehmende Bedeutung dieser Technologie.

Vor diesem Hintergrund gewinnen sogenannte Coolant Distribution Units (CDUs) zunehmend an Relevanz. Sie übernehmen die präzise Regelung und Verteilung des Kühlmediums und stellen sicher, dass Temperatur- und Druckwerte innerhalb definierter Parameter bleiben. Darüber hinaus trennen CDUs den primären Kaltwasserkreislauf von sekundären Flüssigkeitsnetzwerken, deren Qualität entscheidend für die Funktion von GPUs und Cold Plates ist. Damit sind CDUs ein zentrales Element für Leistungsfähigkeit und Lebensdauer moderner Flüssigkeitskühlsysteme.

Ob in Neubauten für KI-Workloads oder bei der Nachrüstung bestehender Rechenzentren – die strategische Platzierung und das professionelle Management von CDUs sind entscheidend, um Effizienz- und Performancevorteile der Flüssigkeitskühlung voll auszuschöpfen.

Was sind CDUs?

CDUs sind integraler Bestandteil moderner Flüssigkeitskühlsysteme im Rechenzentrum. Sie fungieren als zentrale Steuer- und Regeleinheit für die Kühlmittelverteilung und gewährleisten, dass Temperatur und Druck im optimalen Betriebsbereich liegen.

Diese Kontrolle wirkt sich unmittelbar auf die Performance, Effizienz und Lebensdauer der Server-Cold-Plates sowie auf die Gesamtstabilität des Systems aus. Eine systemweit optimierte Kühlung trägt zudem dazu bei, die Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership) in hochverdichteten IT-Umgebungen zu senken.

Funktionsweise von CDUs

CDUs erzeugen einen isolierten sekundären Flüssigkeitskreislauf, der vom primären Kaltwassersystem getrennt ist. Dadurch können Betreiber Druck, Temperatur, Volumenstrom und Filtrationsqualität präzise überwachen und steuern.

Indem die Vorlauftemperatur des sekundären Kreislaufs oberhalb des Taupunkts im Rechenzentrum gehalten wird, wird das Risiko von Kondensation vermieden und eine effiziente sensible Kühlung sichergestellt.

Unabhängig davon, ob die CDU als In-Row- oder In-Rack-System ausgeführt ist, benötigen Flüssig-zu-Flüssig-CDUs eine Anbindung an das Facility Water System (FWS). Über einen Wärmetauscher wird die Wärme aus dem IT-Kühlkreislauf abgeführt. Dieser Prozess ermöglicht eine effiziente Wärmeabfuhr und verhindert Überhitzung, die die Serverleistung beeinträchtigen könnte.

Rolle der CDUs

CDUs übernehmen nicht nur die reine Kühlfunktion. Sie verfügen auf der Versorgungsseite über Filter – typischerweise mit einer Feinheit von 50 Mikrometern –, die Verunreinigungen im System verhindern und so die Integrität der Server-Cold-Plates schützen. Dies erhöht die Systemzuverlässigkeit und reduziert Wartungsaufwand.

CDUs ermöglichen einen stabilen Betrieb von Flüssigkeitskühlsystemen, sorgen für effiziente Wärmeübertragung und tragen zur Verlängerung der Lebensdauer der IT-Komponenten bei. Sie können unter anderem in Kombination mit Rear-Door-Heat-Exchangern (RDHx), Direct-to-Chip-Cold-Plates oder Immersionskühlung eingesetzt werden.

Best Practices für Installation und Betrieb von CDUs

Bei der Planung berücksichtigen Application Engineers mehrere Faktoren, darunter:

• Anzahl der zu versorgenden Racks
• Verhältnis von Wärmeabgabe zu Flüssigkeitskühlung pro Rack
• Erforderlicher Volumenstrom
• Layout des Rechenzentrums

Systeme mit hohen Volumenstromanforderungen benötigen entsprechend dimensionierte Pumpkapazitäten, um die entstehende Wärmelast sicher abzuführen.

1. Anschluss der CDUs an zentrale Systeme

Flüssig-zu-Flüssig-CDUs benötigen eine Anbindung an die zentrale Kaltwasserversorgung oder eine alternative Wärmeabfuhrquelle. Zusätzlich sind Vor- und Rücklaufleitungen erforderlich. Über den integrierten Wärmetauscher wird die Wärme in den Kaltwasserkreislauf übertragen.

Flüssig-zu-Luft-CDUs hingegen ermöglichen Rack-Flüssigkeitskühlung auch ohne zentrale Kaltwasserversorgung. Sie arbeiten mit einem unabhängigen sekundären Flüssigkeitskreislauf. Die erwärmte Flüssigkeit strömt zurück zur CDU und gibt ihre Wärme über Wärmetauscherregister an die Raumluft ab, die anschließend durch vorhandene luftgekühlte Systeme nach außen abgeführt wird.

2. Festlegung der Platzierung

CDUs können:

• direkt im Rack (In-Rack),
• innerhalb einer Rack-Reihe (In-Row),
• am Reihenende oder
• zentral im hinteren Bereich des Rechenzentrums

installiert werden.

Zentralisierte Konzepte ermöglichen ein gemeinsames Flüssigkeitssystem für mehrere Racks. Die Entscheidung hängt von Redundanzanforderungen, Effizienzzielen und dem verfügbaren Investitionsbudget (CapEx) ab.

3. Definition des Redundanzniveaus

Für eine N+1-Redundanz auf Reihenebene sind zwei CDUs erforderlich – eine im Betrieb, eine als Backup. Dies erhöht jedoch Flächenbedarf und Investitionskosten.

Insbesondere Multi-Tenant-Rechenzentren setzen häufig auf solche Konzepte, um Mandanten eine separate Redundanz zu bieten. Alternativ kann eine zentrale Architektur mit weniger Einheiten Skalierbarkeit und Effizienz verbessern.

4. Bestimmung der Kühlanforderungen

Die erforderliche Flüssigkeitskühlleistung für eine IT-Last von 1 Megawatt hängt von Temperatur- und Volumenstromparametern ab.

Ein Beispiel: Ein Direct-to-Chip-System mit 20 Racks à 50 kW. Die Wärmeübertragung erfolgt über Cold Plates, während verbleibende Komponenten luftgekühlt werden.

Als Richtwert gilt ein Flüssigkeitsvolumenstrom von etwa 1,5 Litern pro Minute und Kilowatt. Die exakten Grenzwerte werden in Abstimmung mit dem IT-Hersteller definiert. Facility-Teams überprüfen regelmäßig Volumenströme und passen Parameter bei Hardware-Refreshes an.

Rohrleitungen, Verteiler und Rücklaufleitungen müssen hydraulisch so dimensioniert sein, dass die geforderten Durchflussmengen gewährleistet sind. Dabei kommen häufig Reduzierstücke zum Einsatz, um unterschiedliche Rohrdurchmesser innerhalb des Kreislaufs anzupassen.

Fazit

Die rasante Entwicklung von KI- und ML-Anwendungen erhöht die Leistungsdichten in Rechenzentren erheblich und übersteigt zunehmend die Möglichkeiten reiner Luftkühlung. Hybride Konzepte, die Luft- und Flüssigkeitskühlung kombinieren, setzen sich daher immer stärker durch.

CDUs spielen dabei eine zentrale Rolle. Ihre fachgerechte Planung, Platzierung und Dimensionierung ist entscheidend für Effizienz, Skalierbarkeit und Betriebssicherheit moderner Hochleistungsrechenzentren.

Mit zunehmender Leistungsverdichtung werden CDUs zu einem strategischen Baustein für die Weiterentwicklung KI-fähiger Infrastrukturen. 

Mehr dazu unter  Deploying Liquid Cooling in Data Centers: Installing and Managing Coolant Distribution Units (CDUs)